音頻功率放大器是一個(gè)技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟的領(lǐng)域，幾十年來(lái)，無(wú)論從電路技術(shù)、元器件，甚至思想認(rèn)識(shí)上都取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。本文對(duì)目前主流的音頻功率放大器市場(chǎng)的現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，詳細(xì)闡述了AB類音頻功放的結(jié)構(gòu)和工作原理，并列舉了目前手機(jī)市場(chǎng)上主流的AB類音頻功放產(chǎn)品，希望能對(duì)工程師朋友在選擇這類產(chǎn)品時(shí)有所幫助。

音頻功率放大器市場(chǎng)現(xiàn)狀及分析

近年來(lái)，隨著消費(fèi)類電子以及通訊娛樂(lè)產(chǎn)品市場(chǎng)的興起，應(yīng)用于手機(jī)、MP3、MP4等便攜式多媒體設(shè)備以及電視、家庭音響、汽車音響等設(shè)備的音頻功率放大器技術(shù)得到了長(zhǎng)足發(fā)展，預(yù)期未來(lái)還會(huì)有廣闊的市場(chǎng)空間。

現(xiàn)階段音頻功放類產(chǎn)品的主流為AB類音頻功率放大器和D類音頻功率放大器兩種，它們各有優(yōu)缺點(diǎn)。單就手機(jī)市場(chǎng)而言，在中高檔多媒體手機(jī)中，非線性的D類音頻放大器是理想的解決方案，它具有效率高、發(fā)熱少、功耗低、電池使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。但D類放大器存在EMI電磁干擾的缺點(diǎn)，雖然各大廠商致力于改善D類技術(shù)的電磁干擾問(wèn)題，但手機(jī)小型化的趨勢(shì)給降低D類音頻放大器的噪聲帶來(lái)了限制。封裝尺寸的壓縮致使音頻設(shè)計(jì)高度集成化，進(jìn)而導(dǎo)致編解碼器、電源管理和揚(yáng)聲器輸出功能的混合信號(hào)集成，這種集成給噪聲管理帶來(lái)了困難。當(dāng)D類音頻放大器不斷減小封裝尺寸時(shí)，需要面對(duì)更加困難的噪聲管理的挑戰(zhàn)。同時(shí)D類音頻放大器居高不下的價(jià)格也讓AB類音頻放大器繼續(xù)成為主流中低檔手機(jī)的首選。與D類產(chǎn)品相比，AB類技術(shù)在某些方面仍然具有一定優(yōu)勢(shì)，比如音頻性能好、THD+N(總諧波失真加噪聲)低、PSRR(電源抑制比)的絕對(duì)值高等。此外，AB類的應(yīng)用中沒(méi)有噼啪聲和咔嗒聲，噪聲很小，而且開(kāi)啟時(shí)間和關(guān)閉時(shí)間都很短，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能方案。因此，在手機(jī)音頻IC市場(chǎng)中，呈現(xiàn)出D類和AB類平分秋色共分天下的局面，甚至在一些場(chǎng)合還出現(xiàn)了可以自由切換D類和AB類的模式，以迎合市場(chǎng)需求。

對(duì)于這兩種技術(shù)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，許多廠商認(rèn)為，隨著技術(shù)的不斷完善，在未來(lái)手機(jī)音頻技術(shù)中，D類將占據(jù)主流地位，從而徹底打破D類與AB類平分秋色的局面。甚至有廠家預(yù)言，D類將最終替代AB類。從目前情況來(lái)看，這種觀點(diǎn)過(guò)于武斷。尤其在小功率音頻驅(qū)

圖2 鏡像電流源的基本結(jié)構(gòu)

圖1 單聲道音頻功率放大器應(yīng)用
動(dòng)中，比如音頻耳機(jī)功放對(duì)效率和功率的要求不高，或者Hi-Fi耳機(jī)放大器對(duì)失真率有較高的要求，此時(shí)AB類功放的超低失真率就體現(xiàn)出其優(yōu)勢(shì)。如今在耳機(jī)放大器的設(shè)計(jì)中，AB類仍是唯一的選擇。

綜上所述，筆者認(rèn)為在未來(lái)的一段時(shí)間內(nèi)，AB類和D類功放仍將共存于音頻功放市場(chǎng)，在不同的應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)。本文僅對(duì)AB類音頻功放的一些相關(guān)電路結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)作簡(jiǎn)單介紹，并對(duì)市場(chǎng)上各主要生產(chǎn)商的主流產(chǎn)品進(jìn)行分析和比較。

AB類音頻功放的主要電路模塊

通用的AB類音頻功率放大器由基本的鏡像電流源模塊和輸出運(yùn)算放大器模塊構(gòu)成，通常還包括基準(zhǔn)電壓模塊和過(guò)溫保護(hù)模塊等，更復(fù)雜的功率放大器還包括輸入運(yùn)放、過(guò)流保護(hù)以及一些附加的功能模塊，如輸入信號(hào)選擇、音量調(diào)節(jié)、音效處理以及總線模塊，從而構(gòu)成集成多種功能的音頻子系統(tǒng)，以應(yīng)用于更廣泛的領(lǐng)域。圖1所示為一款最簡(jiǎn)單的單聲道音頻功率放大器的應(yīng)用圖，其中包括鏡像電流源模塊和全差分運(yùn)算放大器模塊兩部分。

鏡像電流源

鏡像電流源模塊的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

根據(jù)電路總體結(jié)構(gòu)的要求，通?？梢圆捎没倦娏麋R或共源共柵電流鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)電流源設(shè)計(jì)。

電流源電路特點(diǎn)為：輸出電流穩(wěn)定，輸出交流電阻大。其主要應(yīng)用包括：

1. 作為有源集電極負(fù)載，提高運(yùn)放的單級(jí)增益；

2. 作為輸入差分放大器的射極電阻，提高集成運(yùn)放的共模抑制比；

3. 用來(lái)對(duì)電路進(jìn)行偏置，穩(wěn)定電路的工作點(diǎn)。

IC1與IR之間的關(guān)系如一面鏡子，即IC1≈IR，故稱為鏡像電流源。

鏡像電流源具有一定的溫度補(bǔ)償作用。因?yàn)樵谡w電路的設(shè)計(jì)中，鏡像電流源要提供系統(tǒng)中其他各部分工作的偏置電壓和電流，因此在進(jìn)行這一模塊的設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮到系統(tǒng)靜態(tài)電流的要求以及運(yùn)算放大器工作點(diǎn)的選取，同時(shí)還要考慮輸出溫漂以及電源紋波對(duì)輸出的影響。

輸出運(yùn)算放大器

輸出運(yùn)算放大器是AB類音頻功放產(chǎn)品中最關(guān)鍵的部分，它的設(shè)計(jì)直接決定著功放產(chǎn)品關(guān)鍵性能的優(yōu)劣，包括輸出功率、靜態(tài)功耗、電源抑制比、共模抑制比、相位裕度、單位增益帶寬以及密勒補(bǔ)償?shù)?，這些特性都要在輸出運(yùn)放的設(shè)計(jì)中予以充分考慮，并保證其達(dá)到預(yù)期的參數(shù)值。

CMOS運(yùn)算放大器主要由差分跨導(dǎo)級(jí)、高增益級(jí)、輸出級(jí)、密勒補(bǔ)償電路及偏置電路構(gòu)成，通常采用二級(jí)放大結(jié)構(gòu)。電路結(jié)構(gòu)可以有很多種設(shè)計(jì)和選擇，如簡(jiǎn)單的兩級(jí)運(yùn)放、共源共柵運(yùn)放、折疊共源共柵運(yùn)放等。針對(duì)不同應(yīng)用，應(yīng)采用不同的電路結(jié)構(gòu)，并在設(shè)計(jì)中針對(duì)不同的預(yù)期參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

AB類音頻功率放大器對(duì)輸出運(yùn)算放大器的主要要求包括：盡可能高的開(kāi)環(huán)增益、共模抑制比、電源抑制比、單位增益頻率，以及盡可能低的功耗、失調(diào)電壓等，而輸出功率管的交越失真也是設(shè)計(jì)中必須考慮并盡量避免的。很多AB類音頻功放采用折疊共源共柵結(jié)構(gòu)，

AB類輸出運(yùn)算放大器的主要特點(diǎn)是：晶體管的導(dǎo)通時(shí)間稍大于半周期，必須用兩管推挽工作，以抑制偶次諧波，減小交越失真，效率較高，晶體管功耗較小等。

其它附加功能模塊

基準(zhǔn)電壓模塊

輸出運(yùn)算放大器的基準(zhǔn)電壓通常為VDD/2，接于放大器正端輸入，為運(yùn)算放大器的輸出提供中心直流電壓，保證其可在輸入交流信號(hào)的正負(fù)半周內(nèi)正常工作。這個(gè)基準(zhǔn)電壓通常由內(nèi)部電路產(chǎn)生，可以是直接的電阻分壓。但對(duì)性能要求更高的音頻功放在這部分的設(shè)計(jì)中會(huì)考慮到抑制上電噼啪聲，以及需要在電路出現(xiàn)異常即極低或極高的基準(zhǔn)電壓時(shí)及時(shí)關(guān)斷系統(tǒng)，因而會(huì)設(shè)計(jì)更復(fù)雜的電路，以保證系統(tǒng)具有更完善的性能。最常見(jiàn)的方法是在芯片外圍接旁路電容，這樣在電源上電時(shí)，基準(zhǔn)電壓不是馬上達(dá)到VDD/2，而是經(jīng)旁路電容充電才上升為VDD/2，這使音頻功放可在一定的充電時(shí)間后才開(kāi)始工作，從而避免了電源上電時(shí)因芯片立即工作而產(chǎn)生的噼啪聲。

過(guò)溫保護(hù)模塊

音頻功率放大器芯片都有自己的工作溫度范圍，超出這個(gè)范圍，芯片的很多性能都會(huì)變得很差，甚至?xí)斐刹豢赡娴膿p壞。為避免這一狀況的發(fā)生，很多音頻功率放大器都會(huì)加入過(guò)溫保護(hù)模塊。過(guò)溫保護(hù)模塊的原理是利用二極管的負(fù)溫度系數(shù)和電阻的正溫度系數(shù)互補(bǔ)，將鏡像電流源產(chǎn)生的電流鏡像為兩路，一路接一個(gè)二極管，而另一路接一個(gè)電阻，這兩路的輸出分別接一個(gè)比較器的兩個(gè)輸入端，比較器的輸出又控制鏡像電流源。芯片在正常溫度范圍內(nèi)工作時(shí)，比較器的輸出不變，因?yàn)樾酒ぷ鲿r(shí)其溫度是逐漸升高的，使一路電壓逐漸降低而另一路逐漸升高，當(dāng)溫度達(dá)到一定值時(shí)，這兩路電壓值的大小發(fā)生翻轉(zhuǎn)，使比較器的輸出也發(fā)生翻轉(zhuǎn)，控制鏡像電流源的輸出為0，從而關(guān)斷芯片使其停止工作。芯片停止工作后其溫度會(huì)逐漸降低，引起兩路的電壓值隨之變化，比較器的輸出也會(huì)隨之翻轉(zhuǎn)，使芯片重新開(kāi)始工作。通過(guò)設(shè)計(jì)電路結(jié)構(gòu)，可使比較器的兩次翻轉(zhuǎn)所對(duì)應(yīng)的溫度值存在大約15℃~20℃的滯回，從而有效避免了因溫度過(guò)高而引起的芯片損壞。

音量控制模塊

通常用戶在使用音/視頻產(chǎn)品時(shí)都希望它的音量是可以調(diào)節(jié)的。以往大多數(shù)音量調(diào)節(jié)的功能是通過(guò)在音頻功放芯片上連接另一塊獨(dú)立的音量控制芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)的，但現(xiàn)在，很多音頻功放芯片已經(jīng)把這一功能集成到功放芯片內(nèi)，以降低系統(tǒng)整體成本?，F(xiàn)在普遍采用的音量控制模塊是數(shù)字音量控制，這種控制方式更適合目前消費(fèi)電子市場(chǎng)上以按鍵為主的操作模式。

音效調(diào)節(jié)模塊

在一些音視頻設(shè)備中通常會(huì)提供有如古典樂(lè)、搖滾樂(lè)、爵士樂(lè)以及低音增強(qiáng)等音效的選擇，這些音效調(diào)節(jié)功能同樣可以通過(guò)在功放上連接獨(dú)立的芯片提供，也可以直接繼承在音頻功放芯片內(nèi)，從而降低系統(tǒng)成本。音效調(diào)節(jié)功能是通過(guò)調(diào)節(jié)功放輸出在不同頻段內(nèi)的增益來(lái)實(shí)現(xiàn)的，例如要達(dá)到低音增強(qiáng)的效果，就通過(guò)濾波器來(lái)提高低頻部分的增益而保持高頻部分單位增益不變。

音頻放大器的重要參數(shù)

總諧波失真加噪聲

(THD+N)

總諧波失真是指模擬電路處理信號(hào)后，在特定頻率范圍內(nèi)所引入的總失真量；噪聲是指通常不需要的信號(hào)，有時(shí)是由于熱或其它物理?xiàng)l件引起的電路板上的其它電氣行為(干擾)。從上述定義中不難看出，總諧波失真和噪聲越小越好。

對(duì)于理想的音頻功率放大器來(lái)說(shuō)，如果不考慮功率放大器的增益

表1 美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司部分AB類放大器參數(shù)略覽

大小，輸入一定頻率的正弦波信號(hào)后，其輸出也應(yīng)該是沒(méi)有失真(波形沒(méi)有變形)、沒(méi)有噪聲的正弦波信號(hào)。但真實(shí)的音頻功率放大器的輸出音頻信號(hào)總會(huì)有一點(diǎn)失真，并且疊加了噪聲(在正弦波上疊加了高頻雜波)。這種失真是較小的，從波形圖中很難看出來(lái)，只有用失真儀才能測(cè)出。波形的失真是由于在正弦波上疊加了多種高次諧波而造成的(如3次諧波、5次諧波等)，所以被稱為總諧波失真。理想的音頻功率放大器沒(méi)有諧波失真及噪聲，所以THD+N=0。實(shí)際的音頻功率放大器有各種諧波造成的失真及由器件內(nèi)部或外部造成的噪聲，其THD+N的值通常為0.00n%~10%(n=1~9)。

但這個(gè)指標(biāo)是在一定條件下測(cè)試得出的。同一個(gè)音頻功率放大器，如果改變測(cè)試條件，其THD+N的值會(huì)有很大的變動(dòng)。這里指的條件是，一定的工作電壓VCC(或VDD)、一定的負(fù)載電阻RL、一定的輸入頻率fIN(一般常用1KHz)，以及一定的輸出功率Po。如果改變了其中的條件，則會(huì)得到不同的THD+N值。一般來(lái)說(shuō)，輸出功率小(如幾十mW)的高質(zhì)量音頻功率放大器(如用于MP3播放機(jī))的THD+N指標(biāo)可達(dá)10-5，其具有較高的保真度；輸出幾百mW的音頻功率放大器要采用揚(yáng)聲器放音，其THD+N一般為10-4；輸出功率在1W~2W的音頻功率放大器的THD+N更大些，一般為0.1%~0.5%。

最大輸出功率(POCM)

輸出功率反映了音頻功率放大器的負(fù)載能力，音頻放大器廠商通常會(huì)提供產(chǎn)品在一定工作電壓、額定負(fù)載以及某一THD+N指標(biāo)下的最大輸出功率。

電源紋波抑制比(PSRR)

電源紋波抑制比是音頻放大器的輸入測(cè)量電源電壓的偏差耦合到模擬電路的輸出信號(hào)的比值。PSRR反映了音頻功率放大器對(duì)電源的紋波要求，PSRR值越大，音頻放大器輸出音質(zhì)就越好，性能越優(yōu)越。

靜態(tài)功耗(IDD)

這一參數(shù)體現(xiàn)為設(shè)計(jì)中的靜態(tài)電流，在滿足最大輸出功率的同

表2 德州儀器公司部分AB類放大器參數(shù)略覽

狀態(tài)描述 產(chǎn)品名稱

參數(shù)

LM4809

LM4863

LM4890

橋式輸出

單端輸出

THD+N

0.3%

Po=50mW,RL=32Ω

f=20Hz~20kHz

0.3%

Po=2W,RL=4Ω

f=20Hz~20kHz

0.2%

Po=75mW,RL=32Ω

f=20Hz~20kHz

0.1%

Po=0.4W,RL=8Ω

f=1kHz

關(guān)斷保護(hù)

有，低有效

有，高有效

有，高有效

過(guò)溫保護(hù)

無(wú)

有

有

靜態(tài)電流

1.4mA(典型值)

11.5mA

5.8mA

4mA(典型值)

關(guān)斷電流

0.2mA(典型值)

0.7mA(典型值)

0.1mA(典型值)

電源電壓范圍

2.0V~5.5V

2.0V~5.5V

2.2V~5.5V

PSRR

70dB

CB=1.0mF,

VRIPPLE=200mVPP,f=1kHz

67dB

CB=1.0mF,

VRIPPLE=200mVPP, RL=8Ω

52dB

CB=1.0mF,

VRIPPLE=200mVPP,f=1kHz

62dB

CB=1.0mF,

VRIPPLE=200mVPP,f=217Hz

輸出功率

0.1%THD+N

105mW(RL=16Ω)

70mW(RL=32Ω)

1%THD+N

2.5(RL=3Ω)

2.2(RL=4Ω)

1.1(RL=8Ω)

0.5%THD+N

85mW(RL=32Ω)

1%THD+N

340mW(RL=8Ω)

2%THD+N

1W(RL=8Ω)

狀態(tài)描述 產(chǎn)品名稱

參數(shù)

TPA6112A2

TPA301

TPA6203A1

THD+N

(f＝1kHz，Pout＝1W)

0.6%

Po=100mW,RL=16Ω

f=20Hz~20kHz

1%

Po=350mW,RL=8Ω

f=20Hz~20kHz

0.06%

Po=1W,RL=8Ω

f=1kHz

關(guān)斷保護(hù)

有，高有效

有，高有效

有，低有效

過(guò)溫保護(hù)

有

有

審核編輯 黃宇